Forschung aus Stade, Hamburg und Buxtehude

Hightech zwischen den Apfelbäumen

Künstliche Intelligenz, autonome Roboter und digitale Zwillinge könnten den Obstbau im Alten Land schon bald grundlegend verändern. Welche Technologien künftig den Arbeitsalltag in den Plantagen erleichtern sollen, zeigten kürzlich Forschende bei der Regionalkonferenz „Zukunft Obstbau“ im ESTEBURG Obstbauzentrum in Jork. Auf dem Gelände in Estebrügge konnten Besucher die Technik bei Führungen und Live-Demonstrationen direkt erleben.

KI macht jeden Obstbaum zum digitalen Zwilling

Im Mittelpunkt des Projekts SAMSON steht die Digitalisierung der Obstplantagen. Sensoren, Kameras und Künstliche Intelligenz erfassen während der regulären Fahrten durch die Plantagen jeden einzelnen Obstbaum. So entstehen digitale Abbilder, die Informationen über Blüten, Früchte, Krankheiten oder Schädlinge liefern. Auf dieser Grundlage erhalten Obstbaubetriebe konkrete Handlungsempfehlungen – etwa für Bewässerung, Pflanzenschutz oder die Ernteplanung.

„Mit Hilfe der KI bekommen wir über das Jahr so etwas wie ein Daumenkino von jedem Baum“, beschreibt Benjamin Schulze, Gruppen- und Projektleiter am Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM) in Stade, das Prinzip. So lasse sich die Entwicklung jedes einzelnen Baumes verfolgen und erkennen, welche Maßnahmen notwendig sind.

Die Daten stehen den Betrieben direkt auf dem Smartphone zur Verfügung. „Ich kann mit dem Smartphone mithilfe einer Karte die Felder einsehen. Auf diesem Feld stehen zum Beispiel 1.031 Bäume, und ich kann sehen, dass zwei durch das Wetter beschädigt wurden“, erklärt der Projektleiter.

Für Benjamin Schulze war der Wechsel von der Luftfahrtforschung in den Obstbau genau die richtige Entscheidung. „Ich habe in der Luftfahrt promoviert. Das sind riesige Konzerne. Wenn man dort etwas verändern will, muss man ganz andere Türen eintreten. Hier erlebe ich ein viel ehrlicheres Arbeiten und ich genieße es auch, draußen zu arbeiten – obwohl ich ein Hardcore-Technologe bin."

Gerade die Verbindung aus moderner Technologie und praktischer Arbeit im Obstbau begeistert ihn. „Es zeigt, dass Obstbau durch die Digitalisierung wieder spannend wird“. Dass das Thema auch die Studierenden fasziniert, erlebt er täglich in der Zusammenarbeit mit der Technischen Universität Hamburg und der HAW Hamburg. „Die Technologen haben unfassbar viel Freude daran, weil sie sehen, dass ihre Arbeit direkt einen Einfluss auf die Natur hat. Man hinterlässt einen positiven Fußabdruck.
Gerade weil weniger Betriebe größere Flächen bewirtschaften, gewinnen digitale Entscheidungshilfen zunehmend an Bedeutung." Deshalb arbeitet das Projektteam bereits daran, die entwickelte Technik in ein Start-up zu überführen.

Autonome Roboter sollen die körperliche Arbeit erleichtern

Nicht nur die Datenerfassung, sondern auch die praktische Arbeit in den Plantagen soll künftig stärker automatisiert werden. Zu den vorgestellten Entwicklungen gehörte der autonome Obstplantagenhelfer AurOrA, der von Mohamed Abdelhafez, wissenschaftlicher Mitarbeiter und Doktorand an der Hochschule 21 in Buxtehude, entwickelt wurde.Die modulare Plattform transportiert Obstkisten mit einem Gewicht von bis zu 450 Kilogramm und kann je nach Ausstattung verschiedene Aufgaben übernehmen. Mithilfe von Sensoren erkennt AurOrA Beikräuter unter und zwischen den Bäumen, identifiziert neu gepflanzte Jungbäume und unterstützt deren gezielte Bewässerung.

Darüber hinaus zeigten die Projektpartner Robotersysteme, die Blüten und junge Früchte gezielt ausdünnen können. Dadurch lässt sich der Einsatz von Pflanzenschutzmitteln reduzieren und gleichzeitig die Fruchtqualität verbessern.

KI berechnet die Apfelernte schon Monate im Voraus

Ein weiterer Schwerpunkt ist die Ertragsprognose. Eine intelligente Kameratechnik erkennt einzelne Äpfel am Baum, misst ihre Größe und berechnet mithilfe Künstlicher Intelligenz den voraussichtlichen Ertrag. Das erleichtert den Betrieben die Planung der Ernte und die Vermarktung.

„Jeder Apfel hat eine Koordinate. Das heißt, wir wissen, ob wir den Apfel schon gesehen haben oder nicht. So können wir ihn dreidimensional erfassen – und das bereits ab einer Größe von etwa einer Kirsche“, erklärt Benjamin Schulze.Wie die Daten entstehen, erläuterte Jeahua Wei (29), wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Technischen Universität Hamburg. Die Sensorbox wird auf einem Traktor montiert und während der normalen Fahrten durch die Obstplantagen eingesetzt.
„Die Sensorbox fährt mit 5 km/h durch die Obstplantage. Sie vermisst die Bäume und erstellt 3D-Bilder von den einzelnen Äpfeln."

Wie die Daten ausgewertet werden, erläuterte Juri Zach, wissenschaftlicher Mitarbeiter an der HAW Hamburg, der im Bereich Robotik und selbstlernende Systeme promoviert.

„Alle Daten – von GPS über Kamerafahrt bis zur Blickrichtung – werden zusammengeführt. Weil bestehende Systeme in den dicht belaubten Plantagen an ihre Grenzen kamen, haben wir eine eigene selbstlernende KI entwickelt, die sich an die Umgebung anpassen kann.“

Die Kombination aus Sensorik, Kameratechnik und Künstlicher Intelligenz liefert den Betrieben damit erstmals eine sehr genaue Übersicht über den Zustand jedes einzelnen Baumes. Das schafft die Grundlage für präzisere Entscheidungen und einen gezielteren Einsatz von Arbeitszeit, Wasser und Betriebsmitteln.

Photovoltaik, Eisspeicher und Sensoren sparen Energie im Obstbau

Neben der Digitalisierung steht im Forschungsprojekt KERMIT der Klimaschutz im Mittelpunkt. Ziel ist es, den Energieverbrauch im Obstbau zu senken und Treibhausgasemissionen zu reduzieren.

Ein Beispiel ist ein Eisspeicher, der überschüssigen Strom aus Photovoltaikanlagen nutzt. Die gespeicherte Kälte kommt später bei der Einlagerung der Äpfel zum Einsatz.
„Die größte Energiemenge wird beim Produzenten gebraucht, wenn das Obst eingelagert wird. Dann haben die Äpfel etwa 15 Grad und müssen möglichst schnell auf rund 2 Grad heruntergekühlt werden“, erklärt Benjamin Schulze.

Für diese Aufgabe entwickelte Projektpartner Dirk Köpcke eine ebenso einfache wie clevere Lösung. „Vor hundert Jahren wurden Eisblöcke vom Nordpol geholt. Heute frieren wir einfach tausende Liter Wasser ein." Produzieren die Photovoltaikanlagen im Sommer mehr Strom als benötigt wird, wird die überschüssige Energie genutzt, um Eisreserven anzulegen: „Wenn wir mehr Energie aus den PV-Wänden haben, als wir gerade brauchen, stellen wir in den leeren Lagern Eisblöcke her. Die nutzen wir dann im September, wenn die Äpfel eingelagert werden“, so Benjamin Schulze.

Vorgestellt wurde außerdem eine Photovoltaik-Wand, die Strom erzeugt und gleichzeitig die Abdrift von Pflanzenschutzmitteln in benachbarte Gewässer verringern soll.

Auch beim Frostschutz setzt das Projekt auf digitale Technik. Sensoren überwachen Temperatur, Wasserdruck und Pumpenleistung in Echtzeit. Dadurch lässt sich die Frostschutzberegnung präziser steuern, Wasser sparen und Ernteverlusten vorbeugen.

Großes Interesse an den Innovationen für den Obstbau 

Dr. Hinrich Holthusen, Leiter des Versuchswesens für Kern- und Steinobst an der ESTEBURG – Obstbauzentrum Jork, zog insgesamt ein positives Fazit. Er freute sich über das Interesse an der Regionalkonferenz und die vielen Besucher, die sich über die aktuellen Entwicklungen informierten.
„Ich würde mich freuen, wenn künftig noch mehr Menschen aus der Region die Gelegenheit nutzen, sich bei solchen Veranstaltungen anzuschauen, woran wir hier für den Obstbau der Zukunft arbeiten“, sagte Holthusen. „Je mehr Interesse wir dafür wecken können, desto besser.“